DE962857C - Brennstofftank, besonders fuer Flugzeuge - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 25. APRIL 1957

C IOIIO XI/02 C

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennstofftank, der insbesondere für Flugzeuge bestimmt ist.

Zum Verhindern des Schlingerns von Brennstoff in Brennstoffbehältern von Fahrzeugen hat man bereits vorgeschlagen, den Brennstofftank in seinem oberen Bereich mit einem Zelleneinbau aus engen vertikalen Röhren, gegebenenfalls Kapillarröhrchen, zu versehen, durch den die Flüssigkeitsoberfläche in eine große Anzahl kleiner Oberflächen unterteilt wird. Durch solche Einbauten werden Schwankungen der Flüssigkeit weitgehend unterbunden, solange sich der Flüssigkeitsspiegel innerhalb des Zelleneinbaues befindet. Nach einem bekannten Vorschlag soll sich ein derartiger Zelleneinbau nur über einen Teil der Höhe des den Brennstoff aufnehmenden Tankbehälters erstrecken und so angeordnet sein, daß er einen oberen und unteren Raum im Behälter freiläßt und nur etwa mit einem Drittel seiner Länge bzw. Höhe in die Flüssigkeit eintaucht. Dieser Schlingerschutz verliert jedoch an Wirksamkeit, wenn der Flüssigkeitsspiegel mit zunehmendem Brennstoffverbrauch in den freien Tankraum unterhalb des Zelleneinbaues absinkt. Für Flugzeuge, bei denen es im Sturz- und Rückenflug zu starken Lageänderungen bis zum völligen Umstürzen des Brennstoffbehälters kommen kann, ist die Beschränkung des Zelleneinbaues auf einen Teil der Behälterhöhe überdies

nicht zweckmäßig, weil bei solchen Lageänderungen der unterhalb des Zelleneinbaues befindliche Brennstoff in den Zelleneinbau oder durch ihn hindurchströmt, so daß die Verbindung mit der in den Boden des Brennstoffbehalters einmündenden Brennstoffabflußleitung unterbrochen wird. Besteht der Zelleneinbau aus Kapillarröhrchen, so kann es in solchen Fällen längere Zeit dauern, ehe der Brennstoff nach Wiederherstellung der normalen

ίο Lage des Behälters in den unter dem Zelleneinbau befindlichen Brennstoffraum wieder zurückfließt. Zwar hat man vorgeschlagen die den Zelleneinbau bildenden Röhrchen an ihrem oberen, aus der Flüssigkeit heraus ragenden Ende geschlossen auszubilden, so daß in den Röhren Luftpolster entstehen, die die Aufwärtsbewegung der Flüssigkeit elastisch abfangen. Die Flüssigkeit läßt sich dann aber nicht von ihrer Zuführungsseite her über dem Flüssigkeitsspiegel unter Druck setzen, und überdies besteht die Gefahr, daß mindestens ein Teil der Flüssigkeit nach dem Umstürzen des Brennstoffbehalters in den einseitig geschlossenen Röhren hängenbleibt und nicht in den unteren Sammelraum des Behälters zurückfließt.

as Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Sie sieht ebenfalls vor, den Brennstofftank mit einem Zelleneinbau zu versehen, der in eine Vielzahl von vertikalen, rohrförmigen Zellen von engem Querschnitt unterteilt ist, und kennzeichnet sich dadurch, daß die engen Zellen den Tank bis an seine oberen und unteren Begrenzungswände vollständig durchragen und an ihren durch diese Begrenzungswande geschlossenen oberen und unteren Enden enge Querverbindungen untereinander aufweisen.

Diese Ausführung hat den Vorteil, daß der durch den Zelleneinbau vermittelte Schlingerschutz bis zum vollständigen Entleeren des Brennstoffbehälters erhalten bleibt und der Brennstoff in den engen Zellen durch Adhäsion und Oberflächenspannung selbst bei zeitweiligem Umstürzen des Tankbehälters seine Lage in den teilweise leeren Zellen beibehält und in den umgestürzten Zellen nicht nach unten fließt, weil die Zellen den Brennstoffbehälter über seine ganze Höhe durchragen und nicht mit ihren oberen Enden in einen freien Hohlraum ausmünden, in den sich die Zellen entleeren können. Auch bei zeitweilig umgestürztem Behälter und bei starken Lageänderungen bleibt der Brennstoff daher mit der Entnahmeleitung in Verbindung. Durch die engen oberen Querverbindungen zwischen den Zellen kann der Brennstoff in der normalen Lage des Behälters von oben her unter Druck gehalten werden.

Vorzugsweise sind die Zellen an ihren oberen und unteren Enden mit den oberen und unteren Begrenzungswänden des Tankbehälters fest und . versteifend verbunden. Ihre oberen und unteren Querverbindungen können aus in den Zellenwänden angeordneten Löchern bestehen, deren öffnungsquerschnitt vorzugsweise kleiner als der Zellenquerschnitt ist. Die Herstellung des Einbaues ist besonders einfach, wenn die Zellen einen wabenförmigen Querschnitt aufweisen und hälftig aus mäanderartig gebogenen Wänden zusammengesetzt sind, die obere und untere Lochreihen mit in den Einzelflächen angeordneten Löchern aufweisen.

Der Zelleneinbau nach der Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß er auch feuerhemmend wirkt. Vorzugsweise sind die Größe der an den oberen und unteren Enden der Zellen befindlichen Verbindungslöcher und das Verhältnis zwischen dem Querschnitt und der Länge der Zellen so gewählt, daß bei Zündung des Brennstoffes die Flamme in der Zelle erstickt und kein Flammenübertritt zwischen benachbarten Zellen erfolgt. Die an den oberen Enden der Zellen angeordneten Verbindungslöcher sind dabei so klein bemessen, daß sie einem schnellen Durchströmen von Gasen erheblichen Widerstand entgegensetzen, also drosselnd wirken.

Der Zelleneinbau nach der Erfindung vermeidet auch die Bildung hydraulischer Druckwellen. Die Erfahrung lehrt, daß bei Einschüssen in ungeschützte Brennstoffbehälter durch die kinetische Energie des Geschosses hydraulische Druckwellen entstehen können, die ohne Zünden des Brennstoffes eine Zerstörung des Brennstoffbehälters nach sich ziehen. Ist der Tank ein integrierender Bestandteil des Flugzeuges, z. B. eines Flügels, so kann dies zur Zerstörung des Flugzeuges führen. Zwar hat go man versucht, der Bildung solcher Druckwellen durch Einbau von Leitflächen, Rohren od. dgl. entgegenzuwirken, doch ist man dabei nicht zu einer Zellenanordnung gelangt, wie sie erfindungsgemäß vorgesehen ist.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt

Fig. ι eine perspektivische Ansicht eines Flugzeuges mit in seinen Flügeln angeordneten Brennstofftanks gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht von oben eines Ausschnitts eines solchen Flügels in größerem Maßstab,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht von unten des gleichen Flügelausschnitts und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des oberen Teils von in den Brennstofftank eingesetzten Zellen.

Das in Fig. 1 dargestellte Flugzeug weist in jedem Flügel 11 und 12 einen Brennstofftank 10 auf. Jeder Tank ist ein integrierender Teil der no Flügelkonstruktion und wird von dem vorderen Holm 13, dem hinteren Holm 14, zwei Spanten 15 und 16 und der oberen und unteren Flügelhaut 17 und 18 gebildet. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist jeder Tank vollständig mit bienenwabenartigen senkrechten Zellen 19 ausgefüllt.

Die Zellen 19 werden durch viele eckig gewellte Wände 20 (Fig. 4) gebildet, die so aneinandergelegt sind, daß dünne, im Querschnitt sechseckige Zellen entstehen. Die Wände können in an sich bekannter Weise aus dünnem, biegsamem, mit Kunststoff imprägniertem Faserwerkstoff bestehen, dessen Verwendung hier nach den Ansprüchen 7 und 8 nur in Verbindung mit der für die Erfindung kennzeichnenden konstruktiven Ausbildung des Brennstoff tanks geschützt sein soll. Die Wände

sind an ihren Berührungsflächen miteinander und an ihren oberen und unteren Enden mit der Flügelhaut i/ bzw. 18 verbunden. Die Zellen sind auf diese Weise an ihren Enden vollkommen geschlossen, aber benachbarte Zellen sind durch kleine Löcher miteinander verbunden, und zwar durch Löcher 21 in der Nähe der oberen und durch Löcher 22 in der Nähe der unteren Enden.

Zum Füllen des Tanks ist in seinem oberen Teil ein kleinerer Raum 23 vorgesehen, von dem einige Kanäle 24 strahlenförmig über den Tank verlaufen. Diese Kanäle weisen in ihren senkrechten Seitenflächen Löcher 25 auf. Der Füllraum 23 ist mit einem in der Flügelhaut 17 vorgesehenen Einfüllflansch versehen und durch einen Deckel 26 verschließbar. Der in den Füllraum gelangende Brennstoff fließt durch die Kanäle 24 und die Löcher 25 in die einzelnen Zellen 19.

Wie Fig. 3 zeigt, ist auf der Unterseite des Tanks eine ähnliche Einrichtung für die Entnahme des Brennstoffs aus dem Tank zwecks Zuführung zu. dem Triebwerk vorgesehen, und zwar ein Sumpf 27, von dem die zum Triebwerk führende Leitung 28 abgeht und in den strahlenförmig angeordnete Kanäle 29 einmünden, die mit dem Innern der Zellen über in den senkrechten Seitenwänden vorgesehene Löcher 30 in Verbindung stehen. Der Querschnitt der Kanäle 24 und 29 nimmt mit der Entfernung von dem Füllraum bzw. von dem Sumpf ab.

Die Kanäle 24 sind mit einer nicht dargestellten Öffnung versehen, durch die Luft nachströmen kann, wenn Brennstoff dem Tank entnommen wird. Diese Öffnung ist mit einer Druckluftquelle verbunden, z. B. mit einer Anzapfstelle des Luftverdichters eines Gasturbinentriebwerks, so daß das ganze Brennstoffsystem in jedem Falle unter einem positiven Druck steht. Durch die Verbindung der die Zellen bildenden Wände 20 mit den Flügelhäuten 17; 18 ergibt sich eine vollkommen gleichmäßige Verspannung der beiden Flächen, so daß verhältnismäßig hohe Drücke verwendet werden können, ohne daß die Flügelhäute im Bereich des Tanks dadurch verformt werden.

Die Abmessungen der Zellen, d. h. der lichte Querschnitt und die Innenform, sind den physikalischen Eigenschaften des Brennstoffs so angepaßt, daß, wenn sie an den Enden geschlossen wären, sie den Brennstoff wie eine Pipette festhalten, auch wenn sie umgekehrt, d. h. auf den Kopf gestellt würden. Obwohl die Zellen an ihren unteren Enden durch die Löcher 22 miteinander verbunden sind, sind sie durch den in ihnen befindlichen Brennstoff doch tatsächlich abgeschlossen, und der Brennstoff bewirkt einen gegenseitigen hydraulischen Verschluß zwischen den Zellen. Infolgedessen wird der Brennstoff auch bei Flugverhältnissen mit »negativem g« in den unteren Enden der Zellen gehalten und nicht in die oberen Teile des Tanks bewegt. Es sei erwähnt, daß Flugverhältnisse mit »negativem g«, das größer als die Einheit ist, für kurze Zeit auftreten können, aber solche Verhältnisse dauern praktisch nie so lange, daß dadurch das Triebwerk stehenbleiben kann. Der unter Druck stehende Brennstoff wird also während der Bewegungen des Flugzeugs im unteren Teil des Tanks, in dem Sumpf 27 und in der zum Triebwerk führenden Leitung 28 gehalten. Brennstofförderpumpen und horizontale und vertikale Leitbleche um den Brennstaffauslaß herum werden daher nicht benötigt.

Die Abmessungen der Zellen, die zur Erzielung des Pipetteneffektes erforderlich sind, hängen von der Viskosität und der Oberflächenspannung des Brennstoffs sowie von der Oberflächenbeschaffenheit der Zellenwände ab. Auch sind, wie schon erwähnt, die Form und Größe des lichten Querschnitts der Zellen von Bedeutung. Durch Versuche wurde festgestellt, daß sich der Pipetteneffekt für Benzin bei sechseckigen Zellen aus kunststoffgetränktem Fasermaterial bei einer Ouerschnittsfläche von etwa 30 mm² erreichen laßt. Dabei ist zu beachten, daß die Zellen im Querschnitt auch genügend groß sein müssen, damit der Brennstoff zum Auslaß fließt, doch läßt sich dieser Abfluß durch Unterdrucksetzen des Tanks unterstützen, so daß der Querschnitt tatsächlich recht klein sein kann.

In allen Brennstofftanks bildet sich beim Entnehmen von Brennstoff mit sinkendem Brennstoffstand oberhalb des Brennstoffs ein Gemisch aus Brennstoffdämpfen und Luft. Bei den üblichen Tanks besteht daher die große Gefahr, daß das gesamte Gemisch durch ein durchschlagendes Geschoß entzündet wird. Bei einem Tank gemäß der Erfindung ist das Gemisch dagegen in eine große Zahl von kleinen Gemischmengen unterteilt, und es hat sich gezeigt, daß bei Abmessungen der Zellen derart, daß der Pipetteneffekt erzielt wird, und die so lang sind, wie sich dies durch die Stärke der üblichen Flügelprofile ergibt, eine in einer Zelle entstandene Flamme erstickt ist, ehe sie sich auf Zellen ausbreiten kann, die nicht in unmittelbarer Nähe dieser Zelle liegen. Die Faktoren, die die Ausbreitung des Feuers von einer Zelle zur anderen beeinträchtigen, sind wahrscheinlich die lichte Querschndttsfläche der Zellen, der Abstand zwischen den Löchern 21 und 22, d. h. die Länge der Zellen, wenn diese Löcher an den Enden vorgesehen sind, und die Größe der'Löcher 21. Es wurde gefunden, ii<j daß sechseckige Zellen von einem lichten Querschnitt von etwa 30 mm² und einer Länge von etwa» 200 mm, die durch Löcher von etwa 1,5 mm miteinander verbunden, sind, diese Bedingungen erfüllen. Das Feinheitsverhältnis, d. h. das Verhältnis von lichtem Querschnitt zum Quadrat der Zellenlänge, ist ein wichtiger Faktor der Flammendämpfungscharakteristik des Tanks. Dieses Verhältnis muß etwa 1 :50 sein, doch ist dies wahrscheinlich etwa der höchste Wert für annehmbare Ergebnisse. Obgleich die Erscheinungen noch nicht vollkommen erforscht sind, glaubt man, daß die Flammendämpfungseigenschaften der Bienenwabenkonstruktion zum Teil auf die längliche Gestalt der Zellen zurückzuführen ist, die Verwirbe- lungen und Konvektion des gasförmigen Gemischs

verhindern, wie sie in einem weniger engen Raum auftreten, jede Zelle enthält in der Nähe der Brennstoffoberfläche ein Brennstoff-Luft-Gemisch, das zu reich ist, und an dem vom Brennstoff abgewendeten Ende ein Gemisch, das zu arm ist, als daß es sich entzünden könnte. Nur in einer verhältnismäßig kleinen Zone zwischen diesen Extremen befindet sich ein leicht entzündbares Gemisch. Die Schlankheit der Gassäule verhindert dabei eine Vermischung der verschiedenen Zonen, so daß die brennbare Zone zwischen der reichen und der armen isoliert ist. Auch glaubt man, daß das leicht brennbare Gemisch nur in so kleinen Mengen vorhanden ist, daß eine Entzündung nicht genügend x5 große Kräfte hervorbringen kann, um die nachgiebigen Zwischenwände 20 zu zerstören oder den Widerstand, den die kleinen Löcher 21 ausüben, zu überwinden, bevor die durch die Verbrennung freiwerdende Energie verbraucht ist.
Wie bereits erwähnt, wurde gefunden, daß bei Tanks mit Zellen, die den Pipetteneffekt aufweisen und eine Länge haben, wie sie sich durch die Stärke üblicher Flügelprofile ergibt, eine gegebenenfalls in einer Zelle entstehende Flamme erstickt wird, ehe sie sich über den Tank ausbreiten kann. Es ist jedoch nicht anzunehmen, daß diese die Flamme erstickenden Eigenschaften zum Teil auf den Pipetteneffekt zurückzuführen sind. Diese Eigenschaften scheinen vielmehr in erster Linie von dem Feinheitsverhältnis abzuhängen und können daher auch in Tanks erzielt werden, deren Zellen eine Querschnittsgröße haben, die zur Erzielung des Pipetteneffekts zu groß ist, vorausgesetzt, daß sie eine entsprechend größere Länge aufweisen.
Wird ein solcher Tank von einem Geschoß in dem nicht mit Brennstoff gefüllten Teil durchschlagen, so ist es wahrscheinlich, daß sich das in den getroffenen Zellen befindliche Brennstoff-Luft-Gemisch entzündet. Infolge der Tatsache, daß das Gemisch in verhältnismäßig schlanken Säulen enthalten ist, die nur an ihren oberen Enden durch die kleinen Löcher 21 miteinander in Verbindung stehen, wird sich die Flamme nicht über den Tank ausbreiten, sondern ersticken, wenn sie in die unmittelbar benachbarten, unversehrten Zellen gelangt ist.

Durchschlägt ein Geschoß den Tank in dem unteren, mit Brennstoff gefüllten Teil, so entstehen in der Flüssigkeit hydraulische Stoßwellen. Infolge des Vorhandenseins der vielen Zellen werden diese Wellen aber durch die Zellwände absorbiert, bevor sie den Haupttankwänden ernsten Schaden zufügen können. Die Zerstörungen an der Bienenwabenstruktur werden sich nur über einige wenige Zellen beiderseits des Durchschiagweges des Geschosses erstrecken. Sie richten sich natürlich nach dem Kaliber des Geschosse?, doch werden die etwas entfernteren Teile nicht beschädigt werden.

Da der flüssige Brennstoff in dem Tank in viele vertikale Säulen unterteilt ist, die an ihren unteren Enden nur durch kleine Löcher 22 miteinander verbunden sind, werden jegliche Schwingungen des Brennstoffs im Tank, wie sie bei normalen Tanks durch Flugzeugbewegungen hervorgerufen werden, vollständig vermieden.

Da durch die Zellenausbildung gemäß der Erfindung auch jegliche Leitbleche, wie sie üblicherweise in Tanks vorgesehen werden, unnötig sind, kann der neue Tank genau so leicht wie jene ausgeführt werden. Zusätzlich ergeben die Zellen aber noch eine Stützung der Flügelhaut gegen Zug und Druck, und die gleichmäßige Verteilung dieser Stützelemente über den ganzen Tankquerschnitt ist. von großem Nutzen für Tanks, die unter Luftdruck gesetzt werden, so daß hierfür höhere Drücke angewendet werden können, die ein Sieden des Brennstoffs wirksam verhindern, durch das bei Flügen in großen Höhen starke Brennstoffverluste entstehen können.

Claims (15)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Brennstofftank, besonders für Flugzeuge, der durch einen Zelleneinbau in eine Vielzahl von vertikalen, rohrförmigen Zellen von engem Querschnitt unterteilt ist, in denen der Brennstoff durch Adhäsion, Oberflächenspannung und Pipettenwirkung selbst bei zeitweiligem Umstürzen des Tänkbehälters seine Lage in teilweise leeren Zellen beibehält und in den umgestürzten Zellen nicht nach unten fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die engen Zellen (19) den Tank bis an seine oberen und unteren Begrenzungswände vollständig durchragen und an ihren durch diese Begrenzungswände geschlossenen oberen und unteren Enden enge Querverbindungen (21, 22) untereinander aufweisen.

2. Tank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen (19) an ihren -obefen und unteren Enden mit den oberen und untereil Begrenzungswänden (17, 18) des Tankbehälters fest und versteifend verbunden sind.

3. Tank nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an den oberen und unteren Enden der Zellen vorgesehenen Querverbindungen durch in den Zellwänden angeordnete Löcher (21, 22) gebildet sind.

4. Tank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Tankeinlaß (23, 24) im oberen Teil, der Tankauslaß (27,29) im unteren Teil des Tankbehälters (13-18) angeordnet ist.

5. Tank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an den oberen und unteren Enden der Zellen vorgesehenen Querverbindungen (21, 22) zwischen den Zellen in ihrem Öffnungsquerschnitt kleiner sind als der Zellenquerschnitt.

6. Tank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen (19) einen wabenförmigen Querschnitt aufweisen und hälftig aus mäanderartig gebogenen Wänden zusammengesetzt sind, die obere und untere Lochreihen mit in den Einzelflächen angeordneten Löchern (21, 22) aufweisen.

7. Tank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die

Wände (20) der Zellen aus dünnem elastischem Werkstoff bestehen.

8. Tank nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenwände (20) aus kunststoffgetränktem Fasermaterial bestehen.

9. Tank nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die am oberen Ende der Zellen angeordneten Löcher (21) einen Durchmesser von etwa 1,5 mm haben.

10. Tank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der lichte Querschnitt der Zellen nicht wesentlich größer als ein Fünfzigstel des Quadrats der Zellenlänge ist.

11. Tank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen einen Querschnitt von etwa 30 mm² aufweisen.

12. Tank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Tank- _ auslaß (27, 29) mehrere Kanäle (29) aufweist, die sich an den unteren Enden der Zellen (19) quer durch den Tank erstrecken, mit seitlichen Löchern (30) für den Brennstoffzufluß versehen sind und in einen Sammler (2J) mit Abflußleitung (28) einmünden.

13. Tank nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (29) aus umgekehrten, U-förmigen Rinnen bestehen, die mit ihren seitlichen Löchern (30) in die unteren Enden der benachbarten Zellen einmünden.

14. Tank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Tankeinlaß (23, 24) mehrere Zuflußkanäle (24) aufweist, die sich an den oberen Enden der Zellen quer durch den Tank erstrecken, mit seitlichen Abflußlöchern (25) versehen und .an einem Füllstutzen (23) vereinigt sind.

15. Tank nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuflußkanäle (24) aus U-förmigen Rinnen, bestehen, die mit ihren seitlichen Abflußlöchern in die oberen Enden der benachbarten Zellen (19) einmünden.

In Betracht gezogene' Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 813 094.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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